基于Matlab的空中交通管制仿真（附源码）

​此示例演示如何生成空中交通管制方案，模拟来自机场监视雷达 （ASR） 的雷达检测，以及如何配置全球最近邻 （GNN） 跟踪器以使用雷达检测来跟踪模拟目标。能够评估不同的目标场景、雷达要求和跟踪器配置，而无需访问昂贵的飞机或设备。此示例涵盖整个合成数据工作流。

一、空中交通管制方案

将场景中的空中交通管制 （ATC） 塔和移动目标模拟为平台。方案中平台运动的模拟，由管理创建 一个并将 ATC 塔添加到方案中。

二、机场监控雷达

将机场监控雷达 （ASR） 添加到 ATC 塔。典型的ATC塔具有安装在离地面15米处的雷达。该雷达以固定速率以方位角进行机械扫描，以在ATC塔附近提供360度覆盖。列出了 ASR 的常见规范：

• 灵敏度： 0 dBsm @ 111 公里

• 机械扫描：仅方位角

• 机械扫描速率： 12.5 RPM

• 电子扫描：无

• 视野：1.4度方位角，10度仰角

• 方位角分辨率：1.4度

• 范围分辨率： 135 m

使用 上述规范对 ASR 进行建模。

倾斜雷达，使其从地平线以上 2 度处开始测量区域。启用高程并将机械扫描限制设置为从地平线以上 2 度开始跨越雷达的高程视野。由于使用东北向下 （NED） 坐标系，因此负高程对应于地平线以上的点。将高程视野设置为略大于扫描限制所跨越的高程。这会阻止高程中的栅格扫描，并将雷达倾斜到高程扫描限制的中间点。

模型的范围和高程偏差是由于大气折射引起的。这些偏差在低海拔和远距离目标上变得更加明显。由于折射率随高度而变化（降低），因此雷达信号沿弯曲路径传播。这导致雷达在高于其真实高度的高度和超出其视线范围的范围内观察目标。

在 ATC 控制部门内添加三架客机。一架客机从远距离接近ATC，另一架离开，第三架与塔台成切线飞行。对这些客机在 60 秒间隔内的运动进行建模。

使用东北向下 （NED） 坐标系。为下方的客机定义航点时，z 坐标对应于向下，因此地面以上的高度设置为负值。

三、全球导航跟踪器

创建一个，以根据从三架客机生成的雷达检测中形成轨迹。使用在方位角中完成完整的 360 度扫描后生成的检测结果更新跟踪器。跟踪器使用支持函数为每个新轨道初始化一个等速扩展卡尔曼滤波器。修改 返回的过滤器以匹配目标速度和跟踪器更新间隔。

四、在地图上可视化

用于在地图显示的顶部可视化结果。您将塔式雷达和跟踪器使用的本地东北向下 （NED） 坐标系的原点定位在波士顿洛根机场的位置。原点位于纬度42.36306和-71.00639，海拔50米。

五、模拟和跟踪客机

以下循环将推进平台位置，直到到达方案的末尾。对于场景中前进的每一步，雷达都会从其视野中的目标生成检测结果。在雷达完成方位角的360度扫描后，跟踪器将使用这些检测进行更新。

显示雷达第二次扫描完成时拍摄的第一张快照。

上图显示了雷达第二次360度扫描结束时的情况。雷达探测（显示为浅蓝点）存在于每架模拟客机中。此时，跟踪器已经通过对雷达进行一次完整扫描进行了更新。在内部，跟踪器已初始化每架客机的轨道。这些曲目将在此扫描后的更新后显示，当曲目被提升为已确认时，满足跟踪器的确认要求，即3次更新中有2次点击。

接下来的两个快照显示了出境客机的跟踪。

 上图显示了雷达第二次扫描后跟踪器更新之前和之后的跟踪图像。图中跟踪器更新之前的检测用于更新和确认从上一次扫描检测到的此客机的初始化轨迹。下图显示了已确认轨道的位置和速度。轨道位置估计的不确定性显示为黄色椭圆。在仅两次检测后，跟踪器就建立了对出境客机位置和速度的准确估计。客机的真实高度为4公里，以700公里/小时的速度向北行驶。

 出站客机轨道的状态被滑行到第三次扫描的末尾，并显示在上图中，以及客机的最新检测结果。请注意，自上图中更新以来，轨道的不确定性是如何增长的。使用检测进行更新后的轨迹如下图所示。注意到跟踪位置的不确定性在更新后减少。跟踪不确定性在更新之间增加，并且每当使用新的测量值进行更新时都会减少。还观察到，在第三次更新后，轨道位于客机真实位置的顶部。

 最后一张图显示了场景结束时所有三架客机的航迹状态。三架客机中的每架都有一条轨道。在整个方案期间，将为每个客机分配相同的轨道编号，表明在方案期间这些轨道都没有掉落。估计的轨道与客机的真实位置和速度非常接近。

 ​下图显示了该方案的 3D 地图。您可以看到白色三角形中的模拟喷流，其轨迹显示为白线。雷达波束显示为蓝色圆锥体，蓝点表示雷达探测。曲目以黄色、橙色和蓝色显示，其信息以各自的颜色列出。由于3D显示的性质，一些标记可能隐藏在其他标记后面。

可以使用地图上的以下控件来获取场景的不同视图：

• 要平移地图，请左键单击鼠标并拖动地图。
• 要旋转地图，请在按住 Ctrl 按钮的同时，左键单击鼠标并拖动地图。
• 要放大和缩小地图，请使用鼠标滚轮。

 六、总结

此示例演示如何生成空中交通管制方案，模拟来自机场监视雷达 （ASR） 的雷达检测，以及如何配置全球最近邻 （GNN） 跟踪器以使用雷达检测来跟踪模拟目标。在此示例中，了解了跟踪器基于历史记录的逻辑如何促进跟踪。​还了解了轨道在滑行时轨迹不确定性如何增长，以及当轨道被新检测更新时轨迹不确定性如何减小。 

七、程序

使用matlab R2021a版本，点击打开。

打开下面的“ATCExample.mlx”文件，点击运行，就可以看到上述效果。

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